Nghiên cứu kỹ thuật phát hiện thông tin ẩn giấu trên ảnh gif

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Định nghĩa kỹ thuật giấu tin 1.2 Mục đích giấu tin 1.2.1 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin 1.2.2 Mơ hình kỹ thuật giải mã thơng tin 1.3 Môi trường giấu tin 1.3.1 Giấu tin ảnh 1.3.2 Giấu tin audio 1.3.3 Giấu tin video 1.3.4 Giấu thông tin văn dạng text CHƢƠNG ẢNH GIF VÀ KỸ THUẬT NÉN DỮ LIỆU LZW 10 2.1 Cấu trúc ảnh GIF 10 2.2 Kỹ thuật nén liệu LZW 13 2.2.1 Giới thiệu 13 2.2.2 Giải thuật 14 2.2.3 Phương pháp nén LZW 14 2.2.4 Thuật toán nén LZW 18 CHƢƠNG KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN ẢNH GIF 20 3.1 Khái niệm bit có trọng số thấp (LSB – Least Significant Bit) 20 3.2 Kỹ thuật giấu tin EzStego 20 3.3 Thuật toán giấu DIH 24 CHƢƠNG KỸ THUẬT PHÁT HIỆN TIN ẨN GIẤU TRÊN ẢNH GIF 28 4.1 Tổng quan kỹ thuật phát thông tin ẩn giấu ảnh 28 4.2 Kỹ thuật phát DIH ước lượng tin ẩn giấu DIH 29 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 31 5.1 Môi trường cài đặt 31 5.2 Thử nghiệm 35 5.3 Đánh giá thuật toán 41 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo ThS Hồ Thị Hương Thơm, cô tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm tốt nghiệp Với bảo cơ, em có định hướng tốt việc triển khai thực yêu cầu trình làm luận án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn dạy bảo giúp đỡ thầy giáo, cô giáo Khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng trang bị cho em kiến thức để em hồn thành tốt báo cáo tốt nghiệp Xin cảm ơn tới người thân gia đình quan tâm, động viên suốt trình học tập làm tốt nghiệp Xin gửi lời cảm ơn tất bạn bè, đặc biệt bạn lớp CT901 giúp đỡ đóng góp ý kiến để hồn thành chương trình Một lần em xin chân thành cảm ơn ! MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng thông tin số đem lại thay đổi sâu sắc xã hội sống Những thuận lợi mà thông tin số mang lại sinh thách thức hội cho q trình phát triển Internet mạng khơng dây trợ giúp cho việc chuyển phát khối lượng thơng tin lớn qua mạng Tuy nhiên làm tăng nguy sử dụng trái phép, xuyên tạc bất hợp pháp thông tin lưu chuyển mạng, đồng thời việc sử dụng cách bình đẳng, an toàn liệu đa phương tiện cung cấp cách kịp thời tới nhiều người dùng cuối thiết bị cuối vấn đề quan trọng nhiều thách thức Hơn nữa, phát triển phương tiện kỹ thuật số làm cho việc lưu trữ, sửa đổi chép liệu ngày đơn giản, từ việc bảo vệ quyền tác giả chống xâm phạm trái phép liệu đa phương tiện (âm thanh, hình ảnh, tài liệu) gặp nhiều khó khăn Một công nghệ đời phần giải khó khăn giấu thông tin nguồn đa phương tiện nguồn âm thanh, hình ảnh, ảnh tĩnh… Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin hệ mã mật nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin, phương pháp ưu điểm chỗ giảm khả phát tồn thông tin nguồn mạng Không giống mã hố thơng tin để chống truy cập sửa chữa cách trái phép thông tin, mục tiêu việc giấu thông tin làm cho thông tin trở nên vơ hình hay khơng nghe thấy đối tượng Điều đánh lừa phát tin tặc làm giảm khả bị giải mã Giấu thông tin kỹ thuật tương đối phát triển nhanh, thu hút nhiều quan tâm giới khoa học giới công nghiệp nhiều thách thức Bản báo cáo trình bày giấu phát ảnh có giấu thơng tin Đồng thời trình bày số kỹ thuật giấu phát thông tin ẩn giấu ảnh GIF, từ đưa thực nghiệm đánh giá cho việc phát thông tin ẩn giấu ảnh GIF Nội dung báo cáo gồm chương: Chương Tổng quan kỹ thuật giấu tin giấu tin ảnh Chương Ảnh kỹ thuật nén liệu LZW Chương Một số kỹ thuật giấu tin ảnh GIF Chương Kỹ thuật phát thông tin ẩn giấu ảnh GIF Chương Kết thử nghiệm CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Định nghĩa kỹ thuật giấu tin Giấu tin kỹ thuật giấu nhúng lượng thơng tin số vào đối tượng liệu số khác (giấu tin nhiều hành động giấu cụ thể mà mang ý nghĩa quy ước) 1.2 Mục đích giấu tin Có hai mục đích giấu tin: Bảo mật cho liệu giấu Bảo đảm an tồn (bảo vệ quyền) cho đối tượng chứa liệu giấu Có thể thấy hai mục đích hồn tồn trái ngược phát triển thành lĩnh vực với u cầu tính chất khác Giấu thơng tin Giấu tin bí mật (Steganography) Thuỷ vân số (Watermarking) Hình Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thơng tin Kỹ thuật giấu thơng tin bí mật (Steganography): mục đích đảm bảo an tồn bảo mật thông tin tập trung vào kỹ thuật giấu tin để giấu nhiều thơng tin Thông tin mật giấu đối tượng cho người khác không phát Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh giấu (watermarking) để bảo vệ quyền đối tượng chứa thơng tin lại tập trung đảm bảo số yêu cầu đảm bảo tính bền vững… Đây ứng dụng kỹ thuật thuỷ vân số 1.2.1 Mơ hình kỹ thuật giấu thông tin Giấu tin vào phương tiện chứa tách lấy thông tin hai q trình trái ngược mơ tả qua sơ đồ khối hệ thống sau: Phương tiện chứa(audio, ảnh, video) Thông tin giấu Bộ nhúng thông tin Khóa Phương tiện chứa giấu tin Phân phối Hình Lược đồ chung cho trình giấu tin Thơng tin cần giấu tuỳ theo mục đích người sử dụng, thơng điệp (với tin bí mật) hay logo, hình ảnh quyền Phương tiện chứa: file ảnh, text, audio… môi trường nhúng tin Bộ nhúng thông tin: chương trình thực việc giấu tin Đầu ra: phương tiện chứa có tin giấu Tách thơng tin từ phương tiện chứa diễn theo quy trình ngược lại với đầu thông tin giấu vào phương tiện chứa Phương tiện chứa sau tách lấy thông tin sử dụng, quản lý theo yêu cầu khác 1.2.2 Mơ hình kỹ thuật giải mã thông tin Bộ giải mã tin Phương tiện chứa (audio, ảnh, video) Khóa giấu tin Phương tiện chứa giấu tin Thơng tin giấu Kiểm định Hình Lược đồ chung cho trình giải mã Hình vẽ công việc giải mã thông tin giấu Sau nhận đối tượng phương tiện chứa có giấu thơng tin, q trình giải mã thực thông qua giải mã tương ứng với nhúng thơng tin với khố trình nhúng Kết thu gồm phương tiện chứa gốc thông tin giấu Bước tiếp theo, thông tin giấu xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu 1.3 Môi trƣờng giấu tin 1.3.1 Giấu tin ảnh Ngày ảnh số sử dụng phổ biến giấu thông tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực đời sống xã hội Ví dụ nước phát triển chữ ký tay số hoá lưu trữ sử dụng hồ sơ cá nhân dịch vụ ngân hàng tài Một đặc điểm giấu thơng tin ảnh thơng tin giấu cách vơ hình, cách truyền thông tin mật cho mà người khác biết sau giấu thông tin chất lượng ảnh gần không thay đổi đặc biệt ảnh màu hay ảnh xám 1.3.2 Giấu tin audio Yêu cầu quan trọng giấu tin audio đảm bảo tính chất ẩn thông tin giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng liệu 1.3.3 Giấu tin video Cũng giống giấu thông tin ảnh hay audio, giấu tin video quan tâm phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng điều khiển truy cập thông tin, nhận thức thông tin, quyền tác giả… Một phương pháp giấu tin video đưa Cox phương pháp phân bố Ý tưởng phương pháp phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số liệu gốc 1.3.4 Giấu thông tin văn dạng text Giấu tin văn dạng text khó thực có thông tin dư thừa, để làm điều người ta phải khéo léo khai thác dư thừa tự nhiên ngôn ngữ Một cách khác tận dụng định dạng văn (mã hố thơng tin vào khoảng cách từ hay dòng văn bản) Kỹ thuật giấu tin áp dụng cho nhiều loại đối tượng khơng riêng liệu đa phương tiện ảnh, audio, video CHƢƠNG 2: ẢNH GIF VÀ KỸ THUẬT NÉN DỮ LIỆU LZW 2.1 Cấu trúc ảnh GIF Ảnh GIF (Graphics Interchange Format) định dạng tập tin hình ảnh bitmap cho hình ảnh dùng 256 màu hoạt hình dùng 256 màu cho khung hình Gif thường dùng cho sơ đồ, hình vẽ, nút bấm hình màu GIF định dạng nén liệu đặc biệt hữu ích cho việc truyền hình ảnh qua đường truyền lưu lượng nhỏ Đây giải pháp tốt cho hình ảnh mạng, cho hoạt hình nhỏ ngắn GIF sử dụng thuật toán nén LOSS LESS (Khơng liệu) Điều cho phép chúng tạo kích thước nhỏ mà khơng bị mờ chi tiết ảnh liệu GIF note GIF header (7 byte) Globel Palette Header Image (10 byte) Palette of Image (nếu có) Data of Image „,‟ ký tự liên kết ………………… „;‟ terminator Hình Cấu trúc ảnh Gif Chữ ký ảnh Bộ mô tả hiển thị Bản đồ màu tổng thể Mô tả đối tượng ảnh Dấu phân cách 10 Tính chất ẩn thường hay xảy trình lập mã phương pháp PoVs ảnh stego ngang tính chất phương pháp PoVs với ảnh có bề mặt ảnh sáng rõ lại khơng ngang Đây phương pháp tìm ảnh bị nghi ngờ mà khơng có ảnh ngun (sự dị tìm khơng rõ ràng) 4.2 Kỹ thuật phát DIH ƣớc lƣợng tin ẩn giấu DIH Kỹ thuật phát DIH ước lượng histogram ảnh cover ảnh stego thống kê khác biệt Kết cho thấy nhận tỉ lệ thay đổi T0 ảnh có sử dụng kỹ thuật giấu DIH Qua thực nghiệm cho thấy, sau nhúng thông điệp thuật toán DIH làm thay đổi tổng số histogram h±2 ảnh (Bảng 2) Đối với ảnh không giấu tin, tổng số histogram : h1 + h–1 > h2 + h–2 > h3 + h–3 > … > h10 + h–10 (1) Đối với ảnh có giấu tin, ta có: h2 + h–2 ≤ h3 + h–3 (2) Ảnh gốc Ảnh có giấu tin Ý tưởng: Xét tỷ lệ (h2 + h–2 ) với (h3 + h–3) So sánh tỷ lệ với hệ số thực nghiệm T0 29 Thuật toán: Input: Một tập ảnh Q với kích thước chung ảnh 512x512 Output: Phát xem ảnh có giấu tin hay khơng Các bước thực sau: Bước Tính Histogram ảnh cần kiểm tra Bước So sánh tỷ lệ h±2 h±3: Nếu (h2 + h–2 ) / (h3 + h–3) ≥ T0 ảnh kiểm tra ảnh gốc Ngược lại, (h2 + h–2 ) / (h3 + h–3) < T0 ta có ảnh ảnh giấu thông tin (T0=1.15 hệ số xác định thực nghiệm) Bước Ước lượng độ dài thông điệp giấu: Bằng thực nghiệm khoa học ngôn ngữ tự nhiên, người ta chứng minh rằng, thông điệp ẩn giấu có tỷ lệ tổng số bit sấp sỉ 50 : 50 Từ đó, cách tính ước lượng thơng điệp ẩn giấu đề xuất sau: - Gọi L độ dài ước lượng thông điệp ẩn giấu tổng histogram h±1, Li tỷ lệ thông điệp giấu so với khả giấu ảnh, tính sau: L = 2*(h2 + h–2) (3) Li = [2(h2 + h–2 )/ (h1 +h2 + h–1 + h–2 )] * 100 (4) - Gọi [p, q] kích thước ảnh Ước lượng tỷ lệ phần trăm ảnh có chứa thơng điệp ẩn giấu sau: 30 E = [2(h2 + h–2 )/(p*q)] * 100 (5) CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 5.1 Môi trƣờng cài đặt Thực cài đặt thuật tốn phát mơi trường cài đặt Java (bộ soạn thảo Jcreator 4.5) Yêu cầu cấu hình tối thiểu: Bởi JCreator nhẹ nên việc cài đặt thi hành hệ máy gần vô đơn giản Cài đặt: Dưới giao diện chương trình 31 Hình Giao diện 32 + Giao diện Load ảnh GIF (Hình 8) Hình Ảnh gốc + Giao diện giấu tin vào File ảnh GIF vừa load - Giao diện lưu ảnh GIF (Hình 9): Hình Lưu ảnh 33 - Giao diện chọn File thơng điệp giấu (Hình 10): Hình 10 Chọn file thông điệp + Giao diện TestGIF kết kiểm tra ảnh chọn (Hình 11): Hình 11 Ảnh có giấu tin 34 5.2 Thử nghiệm Có tập sở liệu ảnh gồm 100 ảnh JPEG kích cỡ 512x512 pixel download từ [7], [8] chi tiết theo Bảng Dùng Paint Shop Pro Photo X2 đề chuyển đổi sang dạng ảnh GIF Tập ảnh đặt tên từ Image01.GIF đến Image100.GIF Image01 Image02 Image03 Image04 Image05 Image06 Image07 Image08 Image09 Image10 Image11 Image12 Image13 Image14 Image15 Image16 Image17 Image18 Image19 Image20 Image21 Image22 Image23 Image24 Image25 Image26 Image27 Image28 Image29 Image30 35 Image31 Image32 Image33 Image34 Image35 Image36 Image37 Image38 Image39 Image40 Image41 Image42 Image43 Image44 Image45 Image46 Image47 Image48 Image49 Image50 Image51 Image52 Image53 Image54 Image55 Image56 Image57 Image58 Image59 Image60 Image61 Image62 Image63 Image64 Image65 Image66 Image67 Image68 Image69 Image70 36 Image71 Image72 Image73 Image74 Image75 Image76 Image77 Image78 Image79 Image80 Image81 Image82 Image83 Image84 Image85 Image86 Image87 Image88 Image89 Image90 Image91 Image92 Image93 Image94 Image95 Image96 Image97 Image98 Image99 Bảng Tập ảnh thử nghiệm Image100 Sự dụng kỹ thuật giấu tin DIH để giấu thông điệp mật gồm: 32 byte (256 bit) 70byte (560 bit) (xem Bảng 3) vào tập sở liệu ta kết Bảng 37 Bảng Thông điệp giấu Ảnh # Ước lượng không giấu (ảnh gốc) Ước lượng giấu 256 bit Ước lượng giấu 560 bit Image01 Image02 Image03 Image04 Image05 Image06 Image07 Image08 Image09 Image10 Image11 Image12 Image13 Image14 Image15 Image16 Image17 Image18 Image19 Image20 Image21 Image22 Image23 Image24 Image25 Image26 Image27 Image28 12710 0 12948 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 298 256 318 240 244 522 1070 244 324 246 310 604 242 1474 316 348 320 382 656 266 304 238 284 240 248 252 238 280 542 500 562 484 486 766 1314 490 568 490 554 848 486 1718 560 590 562 626 900 508 548 482 528 484 492 496 482 524 38 Image29 Image30 Image31 Image32 Image33 Image34 Image35 Image36 Image37 Image38 Image39 Image40 Image41 Image42 Image43 Image44 Image45 Image46 Image47 Image48 Image49 Image50 Image51 Image52 Image53 Image54 Image55 Image56 Image57 Image58 Image59 Image60 Image61 Image62 Image63 Image64 Image65 Image66 Image67 Image68 0 0 0 0 0 0 16790 0 0 0 0 14388 0 0 0 18592 13132 15720 9654 0 0 0 236 234 246 360 440 242 254 1286 470 668 914 3076 262 366 748 506 804 1284 2688 252 256 256 268 254 226 262 392 304 526 244 236 324 246 260 240 248 244 254 240 256 39 474 478 490 600 682 486 496 1500 566 896 1148 3294 338 578 990 584 1032 1490 2920 484 500 500 512 498 464 506 572 548 770 488 480 568 490 450 468 492 488 494 484 500 Image69 Image70 Image71 Image72 Image73 Image74 Image75 Image76 Image77 Image78 Image79 Image80 Image81 Image82 Image83 Image84 Image85 Image86 Image87 Image88 Image89 Image90 Image91 Image92 Image93 Image94 Image95 Image96 Image97 Image98 Image99 Image100 Ước lượng trung bình 15620 274 244 242 254 258 520 242 304 920 322 436 240 244 358 252 18 264 244 256 318 238 252 410 15672 258 278 260 17276 378 18686 278 13528 266 242 268 240 86% Ước lượng 412.14 xác ảnh khơng có giấu tin Băng Kết thử nghiệm 40 518 488 486 498 626 756 486 548 1164 566 680 484 488 602 496 210 508 488 500 562 482 496 654 502 522 504 622 522 510 486 512 484 648.38 5.3 Đánh giá thuật toán Qua kết thực nghiệm Bảng ta thấy với số ảnh nhiễu (chưa giấu tin) chương trình phát DIHAttack có kết phát có giấu tin (Image01, Image05, Image41, Image51, Image58, Image60, Image61, Image62, Image69, Image92, Image95, Image96 Image97) Cũng từ bảng kết thực nghiệm cho thấy rằng, với ảnh gốc, số lượng bit giấu khác nhau, khả phát xác lượng thơng điệp ẩn giấu cao thông điệp ngắn Thuật toán phát ảnh gốc cho kết xác cao (86/100 ảnh phát xác tập ảnh thử nghiệm) 41 KẾT LUẬN Sau thời gian học tập tìm hiểu, hướng dẫn tận tình giáo hướng dẫn ThS.Hồ Thị Hương Thơm, giúp đỡ thầy mơn tin trường, q trình thực báo cáo tốt nghiệp, báo cáo hoàn thành Tuy nhiên, giấu phát tin ẩn giấu vấn đề mẻ, phức tạp thời gian thực có hạn, lĩnh vực phát tin ẩn giấu, cộng với khả kinh nghiệm hạn chế nên mặt thiết kế chương trình cịn thơ sơ, chưa giải vấn đề giấu phát thông tin ẩn giấu ảnh GIF động Vì em mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo giáo khoa, thấy cô giáo hội đồng phản biện để báo cáo tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô! 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Lee, J., Hwang, S., Jeong, S., Yoon, K., Park, C., Ryou, J.: A DRM framework for distributing digital contents through the Internet ETRI Journal (2003) 423–436 [2] Fridrich, J., Goldjan, M., Du, R.: Invertible authentication Proc SPIE, Security and Watermarking of Multimedia Contents (2001) 197–208 [3] Honsinger, C., Jone, P., Rabbani, M., Stoffel, J.: Lossless recovery of an original image containing embedded data US Patent: 6,278,791 B1 (2001) [4] Ni, Z., Shi, Y., Ansari, N., Su, W.: Reversible data hiding Proc ISCAS (2003) 912–915 [5] Goldjan, M., Fridrich, J., Du, R.: Distortion-free data embedding Proc 4th Information Hiding Workshop (2001) 27–41 [6] Xuan, G., Zhu, J., Chen, J., Shi, Y., Ni, Z., Su, W.: Distortionless data hiding based on interger wavelet transform IEE Electrionics Letters (2002) 1646–1648 [7] CBIR image database, University of Washington, available at: http://www.cs.washington.edu/research/imagedatabase/groundtruth/ [8].USC-SIPI Image Database, http://sipi.usc.edu/services/database/Database.html 43 ... chương: Chương Tổng quan kỹ thuật giấu tin giấu tin ảnh Chương Ảnh kỹ thuật nén liệu LZW Chương Một số kỹ thuật giấu tin ảnh GIF Chương Kỹ thuật phát thông tin ẩn giấu ảnh GIF Chương Kết thử nghiệm... KỸ THUẬT PHÁT HIỆN TIN ẨN GIẤU TRÊN ẢNH GIF 4.1 Tổng quan kỹ thuật phát tin ẩn giấu ảnh Steganalysis kỹ thuật phát tồn thông tin ẩn giấu multimedia Cũng giống thám mã, mục đích steganalysis phát. .. QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Định nghĩa kỹ thuật giấu tin Giấu tin kỹ thuật giấu nhúng lượng thông tin số vào đối tượng liệu số khác (giấu tin nhiều hành động giấu cụ thể